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Redes de Datos


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Sin
embargo,
las
VLAN
limitan
los
dominios
de
broadcast
separando
completamente 
las 
redes.  En  muchos  casos,  si  bien  es  deseable  limitar 
los
broadcast, también es deseable
poder mantener comunicaciones entre máquinas
de
distintas VLANs. La
solución
a
este
problema
es
utilizar equipos
“ruteadores”,
que analicen más allá de la capa 2 (llegando a la capa 3 o capa de red), y en base
a
tablas de “ruteo”, puedan enviar tráfico entre diferentes VLANs.
Realizar  esta 
tarea  con 
ruteadores 
“clásicos”  (Ver  5.3)  es 
lento 
a 
nivel 
de
desempeño  y  costoso  económicamente.  Por  esta  razón  se  han  desarrollado  los
equipos llamados “Routing Switches”, o “Switches de capa 3”.
Tradicionalmente,
el
proceso
de
“ruteo”
(a
nivel
de
las
direcciones
de
capa
3,
por
ejemplo,  direcciones  IP),  es  realizado  por  software,  corriendo  en  uno  o  varios
procesadores
relativamente
lentos,
incluidos
en
los
ruteadores
(routers)
tradicionales. En contraste, los routing switches pueden realizar ruteo
IP
(o
IPX en
algunos casos) en
hardware especializado, y a
la “velocidad del cable”, es decir, a
la misma velocidad entrada de los datos (10, 100, 1000 Mb/s).
En  suma,  los  routing
switches  son  equipos  que  permiten  “switchear”  (analizar  a
nivel
de
capa
2)
o
rutear
(analizar
a
nivel
de
capa
3)
las
tramas
y
paquetes
que
reciben.  Permiten  por  tanto,  separar  dominios  de  broadcast  y  a  su  vez  permitir
comunicaciones 
entre 
máquinas 
de 
distintos 
dominios. 
Su 
administración 
se
asemeja  a  la  de 
un  router  tradicional  (Ver  5.3),  pero  con 
la 
ventaja  de  ser
sumamente rápido (a la “velocidad del cable”).
3.5 
Redes inalámbricas (Wireless LAN)
3.5.1   Introducción e historia
Cuando es
necesario disponer de movilidad en las comunicaciones, depender de
un enlace físico como es
un cable (en cualquiera de sus modalidades) supone una
seria  restricción.  Para  evitar  esto,  las  conexiones  inalámbricas  se  convierten  en
una buena alternativa.
Desde   hace   algunos   años,   el   potencial   de   esta   clase   de   redes   hizo   que
aparecieran
los 
primeros
sistemas
que
utilizaban
ondas
de
radio
para
interconectar 
ordenadores. 
Estos
  primeros
sistemas
inalámbricos
eran
dependientes  de  su  fabricante  en  cuanto  a  implantación  y  conectividad,  lentos
(con  velocidades  de  1,5  Mb/s)  y  concebidos  para  cubrir  un  reducido  grupo  de
aplicaciones.  Pero  con  el  desarrollo  tecnológico  alcanzado  en  el  transcurso  de
estos   últimos   años,   han
ido   apareciendo 
nuevas   soluciones   ampliamente
estandarizadas 
y
funcionales,
en
la 
que 
se
pueden
comunicar
sistemas
informáticos 
y 
dispositivos 
de 
diversa 
naturaleza 
y 
capacidades 
mediante 
la
tecnología inalámbrica basados en la emisión de ondas de radio o de luz infrarroja.
Los  primeros  avances  en  redes  de  datos  inalámbricas  datan  de  fines  de  1970,
cuando en los laboratorios de
IBM de Suiza se publican las primeras ideas de una
red   de   datos   inalámbrica   basada   en   luz   infrarroja,   pensada   para   plantas
industriales.
Sobre
la
misma
fecha,
en
los
laboratorios
de
investigación
de
HP
en
Palo
Alto,
California,
se
desarrolló
una
red
inalámbrica
de
100
kb/s,
que
operaba
en
la banda de
los 900
MHz.
Este proyecto
se
desarrolló bajo
un acuerdo
con
la
FCC para poder utilizar estas frecuencias de manera experimental.
Sobre  mitad  de  la  década  de  1980,  quedaba  claro  que  las  redes  inalámbricas
necesitarían
un ancho de banda de varias decenas de MHz.
Todas las bandas, en
esa  época,  eran 
licenciadas 
y  el  mercado  potencial  de 
las  redes  WLAN 
no
prometía
grandes retornos
inmediatos en las inversiones,
lo
que
desestimulaba
la
inversión en estas tecnologías al tener que pagar costosas licencias reguladas por
la
FCC
en
Estados
Unidos.
Finalmente,
en
mayo
de
1985,
la
FCC
decidió
liberar
algunas  bandas  de  frecuencias 
no 
licenciadas, 
las  que  dio  a  conocer  como
Bandas
ISM
(“Industrial,
Scientific
and
Medical
band”).
Estas
fueron
las
primeras
bandas de
frecuencia no
licenciadas para desarrollos de productos comerciales,
y
jugaron un papel fundamental en el desarrollo de las WLANs.
Se
definieron
3
bandas
ISM
no
licenciadas: 902 a
928
MHz,
2.4
a
2.4835
GHz
y
5.725  a  5.850 
GHz.  Las  técnicas  de  modulación  deben  ser  del  tipo  “spread
spectrum”, para
minimizar la interferencia entre sistemas cercanos que
utilicen
las
mismas bandas. Las potencias máximas están también reguladas.
Mas  adelante,  en
1997,  la  FCC  liberó
nuevas  bandas  no  licenciadas,  conocidas
como  U-NII  (Unilcensed  Nacional  Information  Infrastructure),  con  las  siguientes
frecuencias: 5.15 a 5.25 GHz, restringida a aplicaciones internas, 5.25 a 5.35 GHz
para utilización en Campus y 5.725 a 5.825 GHz para redes comunitarias.
Los  primeros  esfuerzos  en  estandarización  de  las  redes  WLAN  datan  de  1987,
cuando 
la 
IEEE  designa  el  grupo  802.4L  para  estudiar  el  tema.  Este  grupo
pertenecía al
IEEE 802.4 de “token bus”. En 1990 el grupo 802.4L fue renombrado
como IEEE 802.11, pasando  a tener la categoría de un estándar independiente.
En
1999
la
IEEE
publicó
el
primer
estándar
para
redes
de
datos
inalámbricas,
la
Recomendación
IEEE 802.11
[9].
Esta
recomendación
define
la
sub-capa
MAC
y
la  capa  física  (PHY)  para  las  redes  inalámbricas.  Desde  su  publicación  inicial,
varios  grupos  de 
trabajo 
la 
han  ampliado,  en 
las  recomendaciones  802.11a,
802.11b, etc. Las principales se detallan a continuación [10].
Recomendación
Año
Descripción
802.11
1999
Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical
Layer (PHY) Specifications
802.11a
1999
Amendment 1: High-speed Physical Layer in the 5 GHz band
802.11b
1999
Higher speed Physical Layer (PHY) extension in the 2.4 GHz
band
802.11b Cor1
2001
Higher-speed Physical Layer (PHY) extension in the 2.4 GHz
band—Corrigendum1
802.11d
2001
Specification for Operation in Additional Regulartory Domains
802.11f
2003
Recommended Practice for Multi-Vendor Access Point
Interoperability via an Inter-Access Point Protocol Across
Distribution Systems Supporting IEEE 802.11 Operation
802.11g
2003
Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4
GHz Band
802.11h
2003
Spectrum and Transmit Power Management Extensions in the
5GHz band in Europe
802.11i
2004
Medium Access Control (MAC) Security Enhancements
802.11j
2004
4.9 GHz–5 GHz Operation in Japan
802.11e
2005
Medium Access Control (MAC) Quality of Service
Enhancements
Las redes WLAN se diferencian de las convencionales principalmente en
la
capa
física  y  en  la  capa  de  enlace  de  datos,  según  el  modelo  de  referencia  OSI.  La
capa
Física
(PHY)
indica
cómo
son
enviados
los
bits
de
una
estación
a
otra.
La
capa
de
Enlace
de
Datos
y
de
control
de
acceso
al
medio
(MAC)
se
encarga
de
describir  cómo  se  empaquetan  y  verifican  los  bits  de  manera  que  no  tengan
errores.
La  recomendación  802.11a  [11]  estandariza  la  operación  de  las  WLAN  en  la
banda de los 5 GHz, con velocidades de datos de hasta 54 Mb/s.
La  recomendación  802.11b  [12],  también  conocida  con  “WiFi”,  estandariza  la
operación
de
las WLAN
en
la
bada
de
los
2.4
GHz,
con
velocidades
de
datos
de
hasta 11
Mb/s. Esta recomendación
ha sido particularmente exitosa,
y
existen en
el mercado diversos productos que la cumplen.
La  recomendación  802.11g  [13],  estandariza 
la  operación  de 
las  WLAN  con
velocidades de datos de
hasta 54 Mb/s.
Utiliza
la misma banda de 2.4
GHz que la
802.11b,  lo  que  permite  que  los  dispositivos  puedan  operar  en  ambas  normas.
802.11g utiliza OFDM (orthogonal frequency division multiplexing)
3.5.2   Arquitectura de 802.11
Las  redes  802.11  (WLAN)  están  basadas  en  una  arquitectura  del  tipo  celular,
dónde
el  sistema
se
subdivide  en  celdas
o
células.  Cada
celda  (llamada
BSA
=
Basic  Service  Area)  se  corresponde  con  el  área  de  cobertura  de  una  estación
base  o  punto  de  acceso 
(AP  =  Access  Point).  El  conjunto 
de 
terminales  o
dispositivos controlados por un AP se conoce como BSS = Basic Service Set.
Una WLAN puede estar formada por una
única celda, conteniendo
un
único punto
de acceso AP (y como
veremos más
adelante podría
funcionar incluso
sin
ningún
AP),
o
por
un
conjunto
de
celdas
cada
una
con
su
punto
de
acceso,
los que
a
su
vez  se  interconectan  entre  sí  a  través  de  un  “backbone”,  llamado  “sistema  de
distribución  (DS  =  Distribution  System).  Este  backbone  es  típicamente  Ethernet,
generalmente cableado, pero en algunos casos puede ser
también inalámbrico. El
conjunto  de  terminales  inalámbricos  contenido  dentro  de  varias  DSA  se  conoce
como ESS = Extended Service Set.
La WLAN completa (incluyendo las diferentes celdas, sus respectivos AP
y
el DS)
es vista como una única red 802 hacia las capas superiores del modelo OSI.
La   siguiente   figura   ilustra   una   red   802.11   típica,   incluyendo   los   elementos
descritos anteriormente.
DS
BSA
AP
AP
El
Access
Point
(AP)
actúa
como
bridge,
convirtiendo
las
capas
MAC
y
PHY
de
802.11 a las MAC y PHY del DS, típicamente Ethernet 802.3, como se muestra en
la siguiente figura
AP
LLC Relay
802.11 MAC
802.11 MAC
802.3 MAC
802.11 PHY
Wireless
802.11 PHY
802.3 PHY
Ethernet
LAN
La recomendación 802.11 admite dos modos de operación
“Infraestructure Mode”:  Consiste  en  disponer  por  lo  menos  de  un  AP
(punto de acceso) conectado al DS (Sistema de Distribución)
“Ad Hoc Mode”:  Las  máquinas  se  comunican  directamente  entre  sí,  sin
disponer
de
AP
(puntos
de
acceso)
en
la
red.
Dado
que
no
hay
AP,
todas
las máquinas de una red en este modo de operación deben estar dentro del
rango de alcance de todas las otras.
3.5.3   Modelo de capas en IEEE 802.11
En 
IEEE 
802.11 
fue 
necesario 
subdividir 
el 
modelo 
de 
capas 
de 
los 
otros
estándares
IEEE 802, a
los efectos de simplificar el proceso de especificación. La
siguiente figura representa el modelo de capas de IEEE 802.11 [14]:
Capa
de
Enlace
LLC (Logical Link
Control)
Subcapa
MAC
MAC (Medium Access
Control)
MAC
Management
Station Management
Capa
Física
PLCP (PHY Layer
Convergence Protocol)
PMD (PHY Medium
Dependent)
PHY
Management
La subcapa MAC es dividide, a su vez, en otras dos subcapas
La   subcapa   MAC  es   responsable   del   mecanismo   de   acceso   y   la
fragmentación  de los paquetes.
La subcapa de gerenciamineto de MAC (MAC Management) se encarga de
administrar  las  actividades  de  Roaming  dentro  del  ESS,  la  energía,  y  los
procesos de asociación y disociación durante la registración.
La capa física se divide en tres subcapas:
La  subcapa  PLCP  (PHY  Layer  Convergence  Protocol)  se  encarga  de
evaluar  la  detección  de  portadora 
y  de  formar 
los  paquetes  para  los
diversos tipos de capas físicas
La  subcapa  PMD  (PHY  Medium  dependent)  especifica  las  técnicas  de
modulación y codificación
La subcapa PHY Management determina ajustes de diferentes opciones de
cada capa PHY.
Adicionalmente  se  especifica  una  capa  de  administración  de  terminal  (Station
Management)
responsable
de
coordinar
las
interacciones
entre
las
capas
MAC
y
PHY.
3.5.3.1  Capa física de 802.11
Cuando  un  paquete  arriba  a  la  subcapa  PLCP  desde  la  capa  superior,  se  le
adiciona
un  encabezado,
el  que
depende
del  tipo
de
transmisión
a  utilizar  en  la
capa  PMD.  Luego  el  paquete  es  transmitido  por  la  capa  PMD,  de  acuerdo  a  lo
especificado  en  las  técnicas  de  señalización.  La  recomendación  802.11  original
fue especificada para trabajar a 1 y 2
Mb/s, en
la banda de los 2.4 GHz,
utilizando
técnicas  FHSS  (Frequency  Hopping  Spread  Spectrum),  DSSS  (Direct  Sequence
Spread Spectrum) o DFIR (Diffused Infrared)
3.5.3.1.1 FHSS
La
técnica
FHSS
(Frequency
Hopping
Spread
Spectrum)
consiste
en
modular
la
señal  a  transmitir  con  una  portadora  que  “salta”  de  frecuencia  en  frecuencia,
dentro del ancho de la banda asignada, en función del tiempo. El cambio periódico
de  frecuencia  de  la  portadora  reduce  la  interferencia  producida  por  otra  señal
originada
por
un
sistema
de
banda
estrecha,
afectando
solo
si
ambas
señales
se
transmiten en la misma frecuencia en el mismo momento.
Un
patrón
de
saltos
determina
las
frecuencias
de
la
portadora
en
cada
momento.
Para
recibir
correctamente
la
señal,
el
receptor
debe
conocer
el
patrón
de
saltos
del  emisor, 
y  sincronizarse  con  éste,  de 
manera  de  sintonizar  la 
frecuencia
correcta en el momento correcto.
La
recomendación
IEEE
802.11
especifica
79
frecuencias,
separadas
por
1
MHz
para  Norteamérica  y
Europa  (excluyendo  Francia  y
España),  23
para  Japón,  35
para Francia y 27 para España. Estas frecuencias están divididas en tres patrones
de
saltos
no
superpuestos.
Por
ejemplo,
para
Norteamérica
y
la
mayor
parte
de
Europa, estos patrones corresponden a las frecuencias 2.402 MHz + (0,3,6,9,... 75
MHz),  (1,4,7,10,...
76
MHz)  y
(2,5,8,1,...
77
MHz)  respectivamente.  Esto  permite
que  hasta  tres  sistemas  puedan  coexistir  en  la  misma  zona  sin  interferencias
mutuas.
La
técnica
de
modulación
utilizada
es
GFSK
(Gaussian
Frequency
Shift
Keying).
La modulación digital FSK (Frequency Shift Keying) consiste en
modular en FM la
“banda base” digital,
lo que se traduce en
una señal modulada de dos frecuencias
(una
correspondiente
al
bit
“0”
y
otra
correspondiente
al bit
“1”).   Esta
técnica
de
modulación genera saltos instantáneos de frecuencia en la señal modulada, lo que
se
traduce
en
un
espectro
más amplio,
y
puede
producir problemas debido
a
las
no  linealidades  de  los  componentes  utilizados.  Para  evitar  estos  problemas,  se
desarrolló
la
modulación
GFSK,
haciendo
pasar
la
señal
digital
de
“banda
base”
por
un
filtro
gausiano
antes de
ingresar al
modulador de
FM.
Este
filtro
“suaviza”
las  transiciones  entre
ceros  y  unos,  generando  una  señal  modulada  sin  saltos
abruptos de frecuencias.
Para  1  Mb/s  se  utilizan  dos  niveles  en  la  modulación  GFSK  y  para  2  Mb/s  se
utilizan 4 niveles, codificando 2 bits en cada símbolo.
Una trama IEEE 802.11 modulada con FHSS tiene la siguiente estructura:
PLCP (siempre a 1 Mb/s)
Datos (1 o 2 Mb/s)
SYNC
SFD
PLW
PSF
CRC
Datos (MPDU, “scrambleados”)
80
16
12
4
16
<
4.096 bytes
La   trama   comienza   con   un   preámbulo,   consistente   en   una   secuencia   de
sincronismo (SYNC) de
80
bits de 1s
y
0s alternados. Esta secuencia
es utilizada
por el receptor para sincronizarse con el
transmisor. Continúa con un patrón
fijo de
bits
(SFD
=
Start
Frame
Delimter
=
0000110010111101)
que
indica
el
comienzo
efectivo
de
la
trama.
El
largo
de
la
trama
se
codifica
con
12
bits
(PLW  =
Packet
Lenght  Width),  admitiendo  por  tanto  hasta  2
12
=  4.096  bytes.  La  velocidad  de
transmisión se codifica en el campo PSF = Packet Signalling Field.
Finalmente, el
cabezal
PLCP
tiene
16
bits
de
corrección
de
errores
(CRC).
La
sobrecarga
total
del cabezal es menos del 0.4% del largo máximo de datos permitidos.
3.5.3.1.2 DSSS
La  técnica  DSSS  (Direct  Sequence  Spread
Spectrum)  codifica  cada  bit  con  una
secuencia  predeterminada  de  bits  de  mayor  velocidad,  generando  una  nueva
señal  “banda  base”,  pero  de  mucha  mayor  velocidad  que  la  señal  original.  Esta
nueva  señal  banda  base  es  modulada  con  técnicas  tradicionales.  Los  “bits”  o
pulsos  de  la  nueva  señal  banda  base  se  conocen  como  “chips”  o  trozos.  La
siguiente
figura
esquematiza
el
proceso
de
generación
de
la
nueva
señal
banda
base.
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